Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn

Neuroscience

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Summary

Wir haben eine Methode zur gleichzeitigen funktionellen Kernspintomographie und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier Gehirn entwickelt, eine Plattform für die Untersuchung der Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) MRT-Signal.

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Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain. J. Vis. Exp. (42), e1901, doi:10.3791/1901 (2010).

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Abstract

Zur Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)-Signal, haben wir ein Nagetier-Modell in die funktionelle MRT-Daten entwickelt und

Protocol

1. Dies ist eine Nicht-Überleben Chirurgie. Der erste Schritt ist die Implantation der Elektroden. In diesem Beispiel wird Elektroden in der Vorderpfote Regionen der primären somatosensorischen Kortex beider Hemisphären implantiert werden.

  1. Anesthetize der Ratte (männlich SD-Ratte, 200-300 g) mit 2% Isofluran und fix in auf einer stereotaktischen OP-System. Vor Beginn der Operation, sicherzustellen, dass das Tier gut betäubt ist und zeigt keine Reaktion auf einen Zeh kneifen. Entfernen Sie das Fell vor dem Öffnen der Kopfhaut. Trennen Sie die Muskeln und andere Gewebe über dem Schädel und Block eine Blutung auf der Knochenoberfläche mit einem cauterizer.
  2. Bereiten Sie einen Pier auf der Kopfoberfläche (in der Nähe der Mittellinie vorderen V-förmige Kreuzung) als Fixationspunkt für die Welle der implantierten Elektrode, mit Zahnzement. Einrichten eines kleinen Nylon-Schrauben-Set in den Knochen, bevor Zahnzement kann die Stabilität zu erhöhen. Die Größe der Pier mit Zement geformt sollte etwa 5 mm hoch und 3 x 5 mm 2 Fläche an der Basis (siehe Abbildung 1).
  3. Mit einem feinen Spitzen elektrische Bohrmaschine, öffnen Sie vorsichtig den Schädel und setzen die Dura über die Vorderpfote Darstellung in primären somatosensorischen Kortex jeder Hemisphäre. Der Durchmesser jedes Loch sollte etwa 1 mm, positioniert 1 mm anterior und 4 mm lateral vom Bregma. Unter einem Mikroskop, schneiden eine winzige Öffnung in der Dura mit einer Spritze Nadelspitze, wobei darauf zu jedem Schiff Schäden zu vermeiden.
  4. Vor dem Einsetzen jeder Elektrode, stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation präsentieren in der Nähe der Einschnitte ist. Das Glas-Mikroelektroden sollten vor der Operation mit rund 3 hergestellt werden ~ 4 cm Wellen-Länge und Impedanz von 1 ~ 5 mW. Füllen Sie die Kapillare der Elektrode mit künstlichem CSF (ACSF) und setzen Sie jede Elektrode schräg (~ 45 °, von posterior nach anterior) in das Gehirn ~ 0,4 mm aus dem geöffneten dura mit der stereotaktischen Arm. Vor der Befestigung in Position, überprüfen Sie das elektrische Signal. Ein Ende des chloridisiert Silberdraht sollte in den ACSF und das andere Ende an den Eingang führt zu dem Verstärker getaucht werden. Ein Silberdraht, subkutan an der Rückseite des geöffneten Haut befestigt, dient als Referenz-Elektrode.
  5. Vor Elektrode Fixierung, überprüfen Sie die OP-Bereich und stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation auftritt, und dann Auftragen von Zahnpasta auf die entfernt Haut und Muskeln am Schädel zu ersetzen. Die Verwendung der Zahnpasta verbessert die MR-Bildqualität durch die Reduzierung der Anfälligkeit Mismatch an der Schädelbasis / Luft-Grenzfläche. Befestigen Sie die Elektrode Welle auf die vorbereitete Pier mit Zahnzement (siehe Abbildung 1).
  6. Nach dem Zahnzement Kuren, übertragen das Tier auf die MRT-Station und fixieren. Überwachen Sie die Ratte s physiologischen Zustand für den Rest der Studie, einschließlich Körpertemperatur, Atemfrequenz, SPO 2 und Herzfrequenz.
  7. Position einer Oberflächenspule (Senden / Empfangen) über den Kopf, mit den Elektroden ragen aus der Mitte der Spule. Eine weitere bogenförmige hard cover, dass oben auf der Wiege sitzt dient als Unterstützung für die Fixierung der Elektrode führt, um Bewegung durch das Tier atmen zu vermeiden. Das führt zur gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme verwendet erweitern, um ~ 5 m (der Verstärker ist nur außerhalb des Magneten Raum befindet) und sind mit leitfähigen Kunststoff, der als passiver Schild dient abgedeckt.
  8. Anästhesie kann von Isofluran geschaltet werden, um Medetomidin zur Unterdrückung der neuronalen Aktivität zu reduzieren, falls gewünscht. Untersuchen Sie das elektrische Signal ein letztes Mal vor der Übertragung des Tieres in den Magneten. In unseren Studien, die Aufnahme-Parameter wie folgt waren: x 1000 verstärkt, 0,1 Hz ~ 5 K Hz Bandpass-gefiltert, 60 Hz Notch-gefiltert, 12 kHz Abtastrate für Analog-Digital-Wandlung.

2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Tier in den MRI-Scanner für die gleichzeitige Bildgebung und die Aufnahme eingefügt. Die Tiere werden betäubt in der bildgebenden Verfahren.

  1. A 9.4 T Kleintier-MRT-System (Bruker, Deutschland) wurde in unseren Untersuchungen verwendet. Vor der Aufnahme müssen Bildgebungsparameter eingerichtet werden. Ein drei Ebenen scout Bild wird verwendet, um die fMRI Scans Position. Zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfeldes ist das Volumen von Interesse unterlegt mit FastMap 1. Für fMRI-Studien wurde eine koronalen Segment ausgewählt, die neben den bilateralen Vorderpfote primären somatosensorischen Bereiche, in denen die Elektroden implantiert wurden. Die EPI-Bildgebung Parameter wurden FOV, 1,92 x 1,92 cm 2; Matrix Größe 64 x 64; in-plane-Auflösung, 0,3 x 0,3 mm 2; Schichtdicke, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms.
  2. Nach dem Imaging-Setup abgeschlossen ist, gleichzeitige Aufnahme und fMRI kann beginnen. Abbildung 2 zeigt eine repräsentative EPI Bild-und Rohstoff-Aufnahmen während der Bildgebung. Der rasche Wechsel der Gradienten während der Bildaufnahme Ergebnisse in gesättigten Aufnahmen, die nur einen kleinen Teil eines jeden Zyklus (22/500 ms) bestehen. Nach der Bildaufnahme, das elektrische Signal returns zur Grundlinie mit einer Form der nicht-gesättigten Schwingung (siehe Abbildung 3). Kombinierte fMRI und Aufzeichnung kann während der Ruhezustand (wie in dieser Studie gezeigt) oder während der Stimulation durchgeführt werden. Für Reiz-Studien werden die Aufnahmeparameter das gleiche wie für den Ruhezustand Studie, mit elektrischer Stimulation der Vorderpfote versorgt mit 9 Hz, 1 ~ 4 mA Strom. Die Ratte ist nach dem endgültigen Scan eingeschläfert.

3. Nach der gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme müssen die Daten vor der endgültigen Analyse werden vorverarbeitet.

  1. Wir beginnen mit der Entfernung des Gradienten Artefakte aus der elektrophysiologischen Ableitungen (siehe Abbildung 3).
    1. Der Lärm Struktur durch Scannen kann durch Mittelung all ~ 500 ms (TR) Abschnitte, die jeweils auf das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden fMRI Bildern entspricht extrahiert werden.
    2. Subtrahieren Sie die durchschnittliche Lärmbelastung Struktur aus den Originalaufnahmen. Diese Methode behebt nur das ungesättigte Aufnahme Segmenten.
    3. Jeder gesättigten Segment entsprechend Gradienten Wechsel während der Bildaufnahme wird durch eine Linie, die zwischen dem Zeitpunkt vor und der Zeitpunkt, nachdem Gradienten-induzierten Sättigung geht ersetzt.
  2. Die entrauscht Aufnahmen von lokalen Feldpotentiale (LFPs) werden dann an die Macht der Zeit Kurse, die die gleiche zeitliche Auflösung wie das fMRI zeitlichen Verlauf haben, werden umgesetzt. Die durchschnittliche Leistung in einem 2-Sekunden-bin ist für die Berechnung der tiefsten Frequenzen (delta Band 1 ~ 4 Hz), mit einer 1 Sekunde bin für Theta-Band (4 ~ 8 Hz) Frequenzen und einen bin von ~ 0,5 s zwischen verwendet benachbarte gesättigte Signale bei höheren Frequenzen (> 8 Hz, Alpha zu Gamma-Bands). Das Automatik-Fenster für alle Frequenzbänder in 0,5 s-Schritten bewegt, passend zu den TR der fMRI-Daten.
  3. Für Bilddaten, ist Standard fMRI Vorverarbeitung durchgeführt, ua als Leiter Bewegungskorrektur, Bildglättung mit 0,5 mm FWHM und lineare Drift Entfernung.
  4. Kreuz Korrelationsanalyse zwischen den LFP Macht Zeitverläufe und der zeitliche Verlauf von jedem Voxel der Bilddaten durchgeführt. Unterschiedliche zeitliche Verzögerungen erlauben die Untersuchung der zeitabhängigen Korrelation (siehe Abbildung 4).

Repräsentative Ergebnisse:

Als Beispiel kann diese Technik eingesetzt, um die Beziehung zwischen spontaner neuronaler Aktivität und BOLD Schwankungen zu untersuchen. Abbildung 4 zeigt die Korrelation zwischen Karten LFP Macht und der BOLD-Signal an Zeitverzögerungen zwischen -2,5 und 9,5 s von einer Ratte. Die niedrige Frequenz BOLD Schwankungen (<0,1 Hz) aus kortikalen Arealen in der Nähe der Elektrodenspitze mit LFP Macht Veränderungen (<0,1 Hz) bei einer Verzögerung von 2 ~ 6 s. korreliert

Abbildung 1
Abbildung 1. Schematischer Aufbau Elektrodenimplantation-und Imaging-Region mit einer Oberflächenspule.

Abbildung 2
Abbildung 2. Ein Vertreter koronalen EPI Bild, einschließlich der Elektrodenspitzen, ist im linken Fenster angezeigt. Das rechte Bild zeigt raw elektrophysiologischen Ableitungen vor und während der Bildgebung.

Abbildung 3
Abbildung 3. Durch Zoomen auf einen Zyklus, ist ersichtlich, dass das Artefakt (grün) während der Bildgebung von Original-Aufnahmen (blau) kann entfernt werden. Die entrauscht Zeitverläufe (rot) wurden zur weiteren Analyse verwendet.

Abbildung 4
Abbildung 4. Coronal Karten (von einem typischen Ratte) der Korrelation zwischen der Macht der spontanen Delta-Band-Aktivität von einer Elektrode und der Ruhe-Zustand BOLD-Signal an Zeitverzögerungen von -2,5 bis 9,5 s. Maximale Korrelation ist in bilateralen SI bei etwa 4 ~ 5 s in der Isofluran-Narkose Ratten beobachtet. Farbbalken stellt Pearson r.

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Discussion

Beide elektrophysiologischen Aufzeichnung und BOLD fMRI werden separat gut entwickelten Techniken. Doch gleichzeitig Aufnahme-und Imaging ist auf die gegenseitige Beeinflussung 2 der beiden Modalitäten Herausforderung. Hier bieten wir eine mögliche Lösung für kombinierte Experimente in der Nager. Die modifizierte Methode der Elektrodenimplantation minimiert Einfluss auf die Bildqualität und das Artefakt Entfernung für die Elektro-Aufnahmen ist notwendig, um den Lärm von der Bildaufnahme induzierte entfernen. Die zeitgleiche Bildgebung und die Aufnahme in das Nagetier wird eine leistungsstarke Plattform für weitere Untersuchungen der Kopplung zwischen spontaner neuronaler Aktivität und dem BOLD-Signal, zusätzlich zu anderen Anwendungen in der Neurowissenschaft, die die Vorteile der kombinierten Stärken der Elektrophysiologie und funktionelle Bildgebung des Gehirns 3 erfolgen.

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Acknowledgements

Die Arbeit wurde durch die NIH 1 R21NS057718-01 unterstützt.

References

  1. Gruetter, R. Automatic, localized in vivo adjustment of all first- and second-order shim coils. Magn Reson Med. 29, (6), 804-804 (1993).
  2. Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, (6843), 150-150 (2001).
  3. Nir, Y., Fisch, L., Mukamel, R. Coupling between neuronal firing rate, gamma LFP, and BOLD fMRI is related to interneuronal correlations. Curr Biol. 17, (15), 1275-1275 (2007).

Comments

2 Comments

  1. Thank you for this video. I'm wondering about the details of the amplifier. Which amplifier is used and what is the input impedance of the amplifier? Are there any other important considerations about the amplifier?

    Reply
    Posted by: Anonymous
    April 11, 2018 - 12:03 PM
  2. A-M system model 1700, spec can be found in https://www.a-msystems.com/p-202-model-1700-differential-ac-amplifier.aspx
    We also prefer using model 3000 instead, for full band recording from DC.

    Reply
    Posted by: Wen-Ju P.
    April 11, 2018 - 3:34 PM

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